Vuelo interestelar

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El vuelo interestelar  es un viaje entre las estrellas de naves espaciales tripuladas o estaciones automáticas, que, por lo tanto, pueden denominarse naves estelares .

La distancia a la estrella más cercana ( Próxima Centauri ) es de unos 4.243 años luz , es decir, unas 268 mil veces la distancia de la Tierra al Sol.

Cuatro estaciones interplanetarias automáticas  - Pioneer-10 , Pioneer-11 , Voyager-1 , Voyager-2  - alcanzaron la tercera velocidad espacial y abandonaron el sistema solar ; ahora con su ayuda estudian el espacio interestelar .

A. V. Bagrov y M. A. Smirnov destacan los siguientes proyectos de naves estelares: un cohete de fotones con una velocidad de salida de la sustancia de trabajo cercana a la velocidad de la luz, el motor estatorreactor interestelar Bussard con un embudo gigante para recolectar hidrógeno interestelar como combustible, el proyecto Orion , el proyecto Daedalus , una vela ligera basada en la presión de la luz solar o un rayo láser dirigido y la idea del autor de utilizar un campo magnético para acelerar y dar la dirección deseada a las partículas cargadas de un motor [1] .

A principios del siglo XXI no se han creado aparatos cuyo propósito directo sería volar a las estrellas más cercanas . En la segunda mitad del siglo XX, hubo proyectos para desarrollar naves espaciales interestelares tripuladas de propulsión nuclear Orion y Daedalus. Su continuación fueron los proyectos modernos de naves estelares nucleares Longshot e Icarus. En 2011, DARPA , junto con la NASA, anunció el inicio del proyecto conceptual " Después de 100 años a las estrellas ", cuyo propósito es llevar a cabo un vuelo tripulado a otros sistemas estelares [2] [3] . Según Paul Eremenko, coordinador de proyectos de DARPA, el objetivo de este proyecto no es construir una nave espacial, sino estimular a varias generaciones de científicos a investigar en diversas disciplinas y crear tecnologías innovadoras. Según el director del Centro de Investigación Ames ( NASA ) Simon P. Warden, el proyecto de un motor para vuelos al espacio profundo puede desarrollarse dentro de 15-20 años [4] . En 2016, se inició un proyecto privado, Breakthrough Starshot , para crear vehículos interestelares automáticos ultrapequeños utilizando una vela ligera y aceleración mediante un sistema láser superpotente, que permite alcanzar las estrellas más cercanas durante la vida útil activa de la generación existente.

El vuelo de nave espacial tiene un lugar importante en la ciencia ficción .

Objetivos de vuelo

Freeman Dyson ve el objetivo principal de la exploración del espacio profundo en la reactivación de pequeños grupos independientes de personas que, en su opinión, siempre han sido el motor del progreso [5] . Sin embargo, según sus oponentes ( Ari Sternfeld y otros), todos los descubrimientos científicos se realizaron en países grandes [6] .

Gerard O'Neill cree que la humanidad tiene tres caminos de desarrollo: autodestrucción, estancamiento o expansión espacial [7] .

Estrategia de vuelo

Hay dos definiciones de vuelos interestelares:

• viajes lentos de decenas de miles de años (por ejemplo, estaciones automáticas "Pioneer 10", "11" y dos "Voyagers" o proyectos de asentamientos humanos en cometas interestelares propuestos por algunos científicos) sin motores especiales
• o viajes rápidos (por ejemplo, volar a las estrellas más cercanas en menos de una vida humana) con motores o propulsión especiales (veleros espaciales, motores termonucleares, etc.) [8] .

Gerard O'Neill, además de la exploración humana de planetas similares a la Tierra aptos para la colonización, propone utilizar un sistema de sondas replicadoras para estudiar el espacio interestelar: una sonda llega a un sistema planetario alienígena, recoge otra sonda de materiales locales, que sale volando a la próxima estrella (la primera sonda permanece en el lugar para mantener la comunicación y estudiar el sistema estelar) [7] .

Cinemática de vuelos interestelares

Que el vuelo de ida y el vuelo de vuelta consten de tres fases:

1. aceleración uniforme ,
2. volando a una velocidad constante
3. y frenado uniforme.

La hora propia de cualquier reloj tiene la forma:

donde  esta la velocidad del reloj

Los relojes terrestres son estacionarios ( ), y su hora propia es igual a la coordenada de tiempo .

Los relojes de los astronautas tienen una velocidad variable . Dado que la raíz bajo la integral permanece menor que uno todo el tiempo, el tiempo de estos relojes, independientemente de la forma explícita de la función , siempre resulta ser menor que . como resultado

Si la aceleración y la desaceleración se aceleran relativistamente de manera uniforme (con el parámetro de la propia aceleración ) durante , y el movimiento uniforme es , entonces el tiempo pasará de acuerdo con el reloj de la nave [9] :

donde  es el arcoseno hiperbólico .

Si el barco acelera hasta la mitad de la distancia al objetivo y luego reduce la velocidad, entonces el tiempo total de vuelo del barco al objetivo en una dirección es [10] :

Considere el vuelo propuesto al sistema estelar Alfa Centauro , distante de la Tierra a una distancia de 4,3 años luz . Si el tiempo se mide en años y las distancias en años luz, entonces la velocidad de la luz es igual a uno, y la unidad de aceleración de año luz/año² está cerca de la aceleración de la gravedad y es aproximadamente igual a 9,5 m/s².

Deje que la nave espacial se mueva la mitad del camino con aceleración unitaria, y la segunda mitad, con la misma aceleración, se ralentiza . Entonces la nave da la vuelta y repite las etapas de aceleración y desaceleración. En esta situación, el tiempo de vuelo en el sistema de referencia terrestre será de aproximadamente 12 años, mientras que según el reloj de la nave pasarán 7,3 años [10] . La velocidad máxima de la nave alcanzará el 0,95 de la velocidad de la luz.

En 40 años de tiempo adecuado, una nave espacial de este tipo visitará el centro de la Galaxia [10] ; en 59 años de tiempo adecuado, una nave espacial con aceleración unitaria puede potencialmente hacer un viaje (regresando a la Tierra) a la galaxia de Andrómeda , que es 2,5 millones de años luz de distancia. años _ En la Tierra, durante tal vuelo, pasarán unos 5 millones de años. Desarrollando el doble de aceleración (a lo que una persona entrenada bien puede acostumbrarse bajo una serie de condiciones y usando una serie de dispositivos, por ejemplo, animación suspendida ), uno puede incluso pensar en una expedición al borde visible del Universo ( unos 14 mil millones de años luz), lo que les llevará a los astronautas unos 50 años; sin embargo, al regresar de tal expedición (después de 28 mil millones de años según los relojes terrestres), sus participantes corren el riesgo de no encontrar con vida no solo a la Tierra y al Sol, sino incluso a nuestra Galaxia. Sobre la base de estos cálculos, para que los astronautas eviten futuras conmociones al regresar a la Tierra, un radio de accesibilidad razonable para las expediciones interestelares con retorno no debe exceder varias decenas de años luz, a menos, por supuesto, que existan principios físicos de movimiento fundamentalmente nuevos. en el espacio-tiempo se descubren. Sin embargo, el descubrimiento de numerosos exoplanetas sugiere que los sistemas planetarios se encuentran cerca de una proporción bastante grande de estrellas, por lo que los astronautas tendrán algo que explorar en este radio (por ejemplo, los sistemas planetarios ε Eridanus y Gliese 581 ).

Es cierto que hay un "pero": aún no está claro cómo será todo en la práctica y si la mecánica relativista funcionará en tal vuelo [11] ...

Movimiento superlumínico

En las obras de ciencia ficción , a menudo se mencionan métodos de viaje interestelar, basados ​​en moverse más rápido que la velocidad de la luz en el vacío. Aunque la teoría especial de la relatividad de Einstein dice que tal movimiento es imposible, existen varias teorías que ofrecen una forma de "eludir" esta limitación. (Hay una opinión de que la relatividad especial es fundamentalmente incorrecta). La Relatividad General (GR) ya puede permitir que un objeto se mueva más rápido que la luz en el espacio-tiempo curvo; hay soluciones a las ecuaciones de Einstein que permiten conceptos como la Burbuja de Alcubierre y " agujeros de gusano ". FTL debe ser permitido por una unidad warp teórica .

El beneficio del movimiento superlumínico es obvio: el movimiento superlumínico reducirá la duración no solo de los vuelos interestelares sino también intergalácticos a un nivel aceptable.

Konstantin Feoktistov cree que la posibilidad abstracta de la teletransportación humana , por ejemplo, en forma de ondas electromagnéticas, resolvería todos los problemas técnicos del vuelo interestelar [12] . Sin embargo, las últimas investigaciones indican la imposibilidad de la teletransportación humana , por ejemplo, en forma de ondas electromagnéticas; se cree que la teletransportación tiene una física diferente.

Problemas de vuelo

Konstantin Feoktistov identifica tres problemas principales del vuelo interestelar:

• tiempo: incluso a velocidades cercanas a la luz, los vuelos dentro de la galaxia llevarán miles y decenas de miles de años (no se sabe si la nave espacial puede funcionar durante tanto tiempo),
• corrientes de polvo y gas: a velocidades cercanas a la luz, pueden evaporar las pantallas protectoras de las naves estelares,
• problemas energéticos (por ejemplo, al utilizar una reacción termonuclear y velocidades cercanas a la luz, la relación entre la masa inicial y final de la nave resulta ser superior a 10 30 ) [12] .

Hay un intento de explicar la paradoja de Fermi en términos de los problemas del viaje interestelar. Jeffrey Landis plantea la siguiente hipótesis: el vuelo interestelar directo tiene un alcance limitado, el número de sistemas estelares aptos para la colonización es limitado (por ejemplo, solo hay 5 sistemas estelares potencialmente colonizables en un radio de 30 años luz desde el sistema solar), mientras que una colonia en el nuevo sistema estelar tendrá lazos muy débiles con la cultura madre. Al mismo tiempo, las colonias pueden convertirse tanto en civilizaciones colonizadoras (cuyo objetivo es la expansión interestelar) como en civilizaciones no colonizadoras (que no están interesadas en los vuelos interestelares). Si la colonia no es colonizadora, la expansión interestelar se detendrá allí. Pero incluso para una colonia colonizadora, llevará mucho tiempo alcanzar el nivel tecnológico para los vuelos interestelares. Pero de todos modos, el vuelo interestelar será un negocio muy costoso; por ejemplo, Freeman Dyson estimó el costo de una de las opciones para el vuelo interestelar en todo el INB a una distancia de 4 años luz y un tiempo de vuelo de 200 años [13 ] .

Las expediciones interestelares tripuladas requerirán que los astronautas se mantengan vivos y saludables durante largos períodos de tiempo, por lo que se necesita un ciclo de soporte de vida cerrado con regeneración múltiple y utilización de nutrientes. Este sistema deberá abastecer a los astronautas de alimentos, aire y agua. Se requeriría gravedad artificial para mantener la fuerza de los huesos, se requeriría protección contra la radiación para proteger contra la radiación cósmica y se requeriría protección contra meteoritos para proteger contra el impacto de meteoritos. Un viaje largo de ida en un espacio confinado puede crear problemas psicológicos. A pesar de todas las dificultades, enviar personas es preferible a los robots porque la mente humana es más flexible y capaz de navegar más rápido en un entorno desconocido que un robot programado. Sin embargo, el vuelo interestelar en sí requerirá enormes recursos y es impensable sin un apoyo político poderoso (como la caminata espacial de un hombre o el aterrizaje en la luna) [14] .

Según el profesor de antropología John Moore en la conferencia anual de la Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia en 2002, durante los viajes espaciales a largo plazo de varias generaciones, la familia tradicional será preferible como base de la vida social de los astronautas. En su opinión, cada hombre y cada mujer a bordo de una nave espacial interestelar deberían poder elegir entre 10 esposas y esposos potenciales, respectivamente. Según su modelo, el tamaño del equipo debería ser de 80 a 100 personas, y las mujeres no deberían dar a luz a más de 2 niños [15] .

Durante los viajes interestelares, los cosmonautas correrán un gran riesgo por la radiación cósmica, por lo que se requerirán medidas de protección contra ella. Hay 3 opciones de protección:

1. una gruesa capa de materia (por ejemplo, una capa esférica de agua de 5 metros de espesor),
2. protección magnética (repele partículas cósmicas cargadas),
3. y electrostática (lanza un haz de electrones al espacio, la nave adquiere una carga positiva, que repele las partículas cósmicas de alta energía).

Cada método tiene sus propias ventajas y desventajas:

• la primera opción, con un principio de operación simple y confiable, tiene demasiada masa,
• el segundo, con una masa mucho menor, no brinda protección a lo largo del eje,
• el tercero, en ausencia de brechas en la protección y un campo magnético fuerte y peligroso, crea una afluencia peligrosa de partículas con carga negativa: se requiere un campo eléctrico de voltaje gigantesco [16] .

El peligro para una nave espacial interestelar también serán las partículas y la materia del medio interestelar que, durante el vuelo rápido de una nave estelar, tienen una mayor fuerza de penetración y destrucción. Otro problema es el alto nivel de liberación de calor de fuentes de energía poderosas, lo que requerirá sistemas de enfriamiento eficientes o la reducción de la liberación de calor [17] . La eliminación del exceso de calor es un problema en casi todos los proyectos de naves espaciales interestelares [1] .

El problema de la colisión con materia interestelar fue considerado en detalle por Ivan Korznikov en el artículo "Las realidades de los vuelos interestelares". La colisión con el polvo interestelar ocurrirá a velocidades cercanas a la de la luz y se parecerá a microexplosiones en términos de impacto físico. (Todavía no está claro qué sucederá en condiciones de movimiento superlumínico). A velocidades superiores a 0,1 s, la pantalla protectora debe tener decenas de metros de espesor y pesar cientos de miles de toneladas. Pero esta pantalla protegerá de manera confiable solo del polvo interestelar. Una colisión con un macrometeoro tendrá consecuencias fatales, comparables al impacto con la explosión cercana de una poderosa bomba termonuclear. Korznikov calcula que a una velocidad de más de 0,1 s, la nave espacial no tendrá tiempo de cambiar su trayectoria de vuelo y evitar una colisión. Él cree que a una velocidad sublumínica la nave colapsará antes de alcanzar el objetivo. En su opinión, el viaje interestelar solo es posible a velocidades significativamente más bajas (hasta 0,01c) [18] . A. V. Bagrov y M. A. Smirnov son escépticos sobre la idea de poner una nave con una armadura gruesa debido al aumento de masa, pero ellos mismos están considerando la opción de crear asentamientos humanos para vuelos interestelares dentro del asteroide para una zona de habitación más grande y mejor. protección contra la materia interestelar [1 ] .

Naves de generación

Los viajes interestelares también son posibles utilizando naves estelares que implementan el concepto de " naves de generaciones " (por ejemplo, como las colonias O'Neill ). En tales naves espaciales, se crea y se mantiene una biosfera cerrada , capaz de mantenerse y reproducirse durante varios miles de años. El vuelo se realiza a baja velocidad y dura mucho tiempo, durante el cual muchas generaciones de astronautas tienen tiempo para cambiar.

Energía y recursos

Cuando la nave espacial se mueva a una velocidad cercana a la de la luz, los protones del gas interestelar de la Galaxia (la densidad es de un protón por centímetro cúbico) se convertirán en un haz dirigido contra la dirección de vuelo de la nave, con una energía de eV y una densidad de flujo de partículas por centímetro cuadrado por segundo (en la superficie de la Tierra, la intensidad de la radiación cósmica es solo de partículas por centímetro cuadrado por segundo). Se desconoce cómo proteger a la tripulación del barco de tal radiación. [19]

El vuelo interestelar requerirá grandes reservas de energía y recursos, que deberá llevar consigo. Este es uno de los problemas poco estudiados en la astronáutica interestelar.

Por ejemplo, el proyecto Daedalus más avanzado hasta la fecha con un motor termonuclear pulsado habría llegado a la estrella de Barnard (seis años luz) en medio siglo, gastando 50 mil toneladas de combustible termonuclear (una mezcla de deuterio y helio-3) y entregando un masa útil de 450 toneladas al blanco [20] .

Hay proyectos para nuevas fuentes de energía más potentes que se pueden utilizar en vuelos interestelares [21] [22] [23] [24] [25] .

Para que un barco se desplace a velocidades cercanas a la luz, sus motores deben tener una potencia del orden de los petavatios [19] .

Una de las ideas para reducir la masa muerta de la nave es el "autofago" (autofago), o autoconsumo (autoconsumo): una nave interestelar parcialmente construida a partir de hidrógeno congelado (o deuterio y tritio), que se puede utilizar como material estructural, protección radiológica, refrigerante (radiador) y combustible simultáneamente [26] .

Una de las desventajas de las naves interestelares es la necesidad de tener sus propias unidades de potencia a bordo, lo que aumenta la masa y, en consecuencia, reduce la velocidad. Por lo tanto, surgieron ideas para suministrar energía a las naves interestelares desde una fuente externa [8] .

Hay proyectos para usar hidrógeno interestelar, velas solares (luz) o de iones en combinación con presión láser , etc.

Idoneidad de motores y hélices para vuelo interestelar

No todos los tipos de motores son adecuados para el vuelo interestelar en un tiempo razonable. En el caso de usar propulsión a chorro para vuelos interestelares a altas velocidades, se requieren altas velocidades de salida de la sustancia de trabajo V 0 y un gran valor de aceleración (la relación entre la propulsión del motor y la masa de la aeronave). Los motores de cohetes químicos no pueden dar una velocidad de escape de más de 5 km/s , pero las fuentes de energía nuclear dan una velocidad de escape de hasta 10-30 mil km/s, y se puede lograr una velocidad de escape cercana a la velocidad de la luz con la aniquilación. y colapso gravitacional [17] . Además , los cohetes químicos para viajes interestelares requerirán una cantidad inaceptablemente grande de combustible: la nave espacial será demasiado grande en tamaño y masa [8] .

Aunque los motores de cohetes eléctricos tienen un empuje bajo en comparación con los cohetes de combustible líquido , son capaces de operar durante períodos prolongados y vuelos lentos en largas distancias [27] [28] . Los motores de cohetes eléctricos más avanzados hasta la fecha tienen ΔV de hasta 100 km/s y, cuando se utilizan fuentes de energía nuclear, son adecuados para vuelos a los planetas exteriores del sistema solar , pero no son lo suficientemente potentes para vuelos interestelares [27] [28 ] . La energía nuclear se puede utilizar para 3 tipos de propulsión:

• más cercano a la implementación de un grupo de motores de cohetes eléctricos con una unidad de energía nuclear ,
• motor de cohete nuclear
• y el motor de cohete termonuclear más prometedor [29] .

Si hablamos de vuelo interestelar, entonces se consideró un motor de cohete eléctrico con una unidad de energía nuclear para el proyecto Daedalus , pero fue rechazado debido al bajo empuje, el gran peso de la unidad de energía nuclear y, como resultado, la baja aceleración, que tardaría siglos en alcanzar la velocidad deseada [30] [31] [32] . Sin embargo, el método de cohete eléctrico de vuelo interestelar es teóricamente posible con una fuente de alimentación externa a través de un láser a las baterías solares de la nave espacial [33] [34] [35] . Un motor de cohete eléctrico tiene una velocidad característica en la región de 100 km/s , que es demasiado lenta para volar incluso a las estrellas más cercanas en un tiempo razonable [36] . La idoneidad de varios tipos de propulsión para el vuelo interestelar fue considerada, en particular, en una reunión de la Sociedad Interplanetaria Británica en 1973 por el Dr. Tony Martin (Tony Martin), - Tony Martin llegó a la conclusión de que solo las naves estelares termonucleares del Daedalus son adecuados para viajes interestelares [30] [ 31] [32] .

Con los cohetes químicos inadecuados (que tardarán 120.000 años en alcanzar la estrella más cercana), los científicos ofrecen las siguientes opciones para un viaje interestelar rápido:

• cohetes basados ​​en reacciones nucleares controladas (fisión de núcleos, antimateria y fusión nuclear),
• vela láser,
• nave estatorreactor termonuclear [37] .

Según otros expertos, solo tres fuentes de energía son adecuadas para los vuelos interestelares:

• reacciones nucleares y termonucleares,
• aniquilación,
• y colapso gravitatorio, en el que partículas elementales con una energía de al menos unos pocos MeV actúan como portadores de energía.

Al mismo tiempo, los motores nucleares también se pueden usar para un avión planetario; por ejemplo, un vuelo a Plutón en dicho motor tomará 2 meses [17] .

Un tema aparte es una variedad de posibles e hipotéticos motores de movimiento superlumínico. Debe reconocerse que una nave interestelar capaz de volar a velocidades superlumínicas es preferible a una nave con un motor sublumínico. Pero también se debe tener en cuenta que cualquier nave superlumínica resultará ser de modo dual en términos de velocidad de movimiento:

• en el régimen de movimiento superluminal, el vuelo se lleva a cabo a una velocidad superior a la velocidad de la luz: el problema del movimiento superluminal es un problema independiente de la astronáutica;
• en el modo de movimiento subluz, el vuelo se realiza a una velocidad inferior a la velocidad de la luz, mientras que el modo de movimiento subluz está asociado con los mismos problemas descritos anteriormente que el vuelo de una nave interestelar subluz.

Motores en procesos nucleares controlados

Un motor de cohete eléctrico con un reactor nuclear tiene un empuje bajo, un gran peso del equipo necesario para convertir la energía nuclear en equipo eléctrico y, como resultado, una pequeña aceleración, por lo que llevará siglos alcanzar la velocidad deseada [30] [31 ] [31] [32] [30] [38] , lo que permite su uso solo en naves de generación . Los motores nucleares térmicos del tipo NERVA tienen una cantidad suficiente de empuje, pero una baja velocidad de expiración de la masa de trabajo (del orden de 10 km / s), por lo tanto, para acelerar a la velocidad deseada, una gran cantidad de combustible será necesario [30] [31] [31] [32] [30] [ 38] .

Proyecto Orión

En 1950-1960, EE . UU. estaba desarrollando una nave espacial con un motor de cohete de impulsos nucleares para explorar el espacio interplanetario " Orion " [39] . En el transcurso del trabajo, se propusieron proyectos para naves estelares grandes y pequeñas ( " naves de generaciones "), capaces de alcanzar la estrella Alfa Centauri en 1800 y 130 años, respectivamente.

Proyecto Dédalo

De 1973 a 1978, la Sociedad Interplanetaria Británica desarrolló el Proyecto Daedalus , cuyo objetivo era crear el diseño más plausible para un vehículo propulsado por un cohete de fusión automático capaz de alcanzar la Estrella de Barnard en 50 años [40] .

La nave espacial diseñada por el proyecto Daedalus resultó ser tan grande que habría tenido que construirse en el espacio exterior. Se suponía que pesaba 54.000 toneladas (casi todo el peso era propulsor) y podía acelerar al 7,1% de la velocidad de la luz mientras transportaba una carga útil de 450 toneladas . A diferencia del proyecto Orion, que fue diseñado para usar bombas atómicas diminutas, el proyecto Daedalus involucró el uso de bombas de hidrógeno en miniatura con una mezcla de deuterio y helio-3 y un sistema de encendido por haz de electrones. Pero los enormes problemas técnicos y las preocupaciones sobre la propulsión nuclear significaron que el proyecto Daedalus también quedó en suspenso indefinidamente [41] .

En 1982, apareció en la revista " Young Technician " [42] un proyecto de una sonda interestelar basada en tecnologías Daedalus . En 1987, apareció un proyecto para una sonda interestelar basada en un sistema termonuclear reactivo con una masa de equipo científico de al menos 150 kg y un tiempo de vuelo a una de las estrellas más cercanas de 40 a 60 años [43] .

Una nave estelar de fusión estatorreactor propulsada por un motor de fotones

En la década de 1960, una década antes del proyecto Daedalus en la URSS, Valery Burdakov desarrolló un proyecto de nave espacial basado en un motor termonuclear que, mediante un embudo magnético, recoge hidrógeno del espacio circundante y pone en marcha un motor de fotones. De hecho, era un híbrido de tres ideas para el viaje interestelar: una reacción termonuclear, una nave ramjet basada en un embudo magnético y un motor de fotones. Esta idea tenía la ventaja sobre una nave estelar de fusión de no tener que llevar combustible a bordo (que constituía la mayor parte de la masa) [44] . El proyecto de la nave Burdakov-Danilov proporciona aceleración en un motor termonuclear, luego se enciende el motor estatorreactor y la materia interestelar recolectada interactúa con las existencias de antimateria a bordo de la nave para operar el motor de fotones (por lo tanto, el problema de Se resolvió la baja densidad de materia interestelar, que se necesita para aniquilar la antimateria en un motor de fotones menos que para el funcionamiento de un motor termonuclear) [45] .

Diseños modernos de naves estelares nucleares

En 1992, Robert Zubrin publicó la idea de un cohete nuclear basado en una solución homogénea de sales de combustible nuclear , que se mueve sobre la base de una explosión nuclear continua controlada y es frenado por una vela magnética [46] .

Las ideas tecnológicas de los primeros diseños de naves estelares nucleares se utilizan en los proyectos modernos de las naves interestelares termonucleares Longshot e Icarus.

A fines de la década de 1980, la Academia Naval de los EE. UU. y la NASA desarrollaron la sonda de nave estelar automática Longshot , basada en el uso de tecnologías exclusivamente existentes con un plazo de implementación tan breve que se suponía que la sonda se ensamblaría en la estación orbital Freedom también diseñada, que más tarde se transformó en la ISS . El proyecto utilizó un motor nuclear y tuvo un tiempo de vuelo a una velocidad de alrededor del 4,5% de la luz a Alpha Centauri (con acceso a su órbita, en lugar de solo un sobrevuelo como en el proyecto Daedalus) de unos 100 años.

Según el proyecto Ícaro iniciado en 2009 por la Fundación Tau Zero y la Sociedad Interplanetaria Británica , se podrá crear una sonda interestelar automática en pocos años, tendrá un sistema de propulsión termonuclear y acelerará al 10-20% de la velocidad de la luz. lo que daría el logro de Alpha Centauri dentro de la vida activa de una generación en 20-40 años [20] .

Diseños modernos de naves estelares basados ​​en la fusión termonuclear

En la actualidad, los especialistas han desarrollado dos proyectos para naves estelares de fusión termonuclear inercial: una tobera magnética para un cohete de fusión láser inercial [47] y un motor de cohete de fusión láser inercial basado en el concepto de encendido rápido [48] . También existe un proyecto de un motor de cohete termonuclear basado en el confinamiento de plasma magnético estacionario en trampas lineales abiertas [49] . Las trampas abiertas [50] (por ejemplo, una trampa ambipolar [51] ) se pueden utilizar para el confinamiento magnético del plasma termonuclear .

Naves interestelares con un espejo magnético

Para protegerse contra la materia interestelar, así como para acelerar y redirigir el flujo de partículas cargadas de un motor en marcha en la dirección correcta, A. V. Bagrov, M. A. Smirnov y S. A. Smirnov proponen utilizar el campo magnético de un imán anular en forma de un toro (según sus cálculos, tal nave llegará a Plutón en 2 meses) [1] [17] . También desarrollaron un proyecto para una nave con un motor termonuclear pulsado y un electroimán en forma de toro superconductor: según sus cálculos, tal nave puede llegar a Plutón y regresar en 4 meses usando 75 toneladas de combustible, a Alpha Centauri . en 12 años, ya Epsilon Eridani en 24,8 años [52] .

Propulsión por la presión de ondas electromagnéticas

Se han desarrollado varias variantes de naves interestelares basadas en la energía solar y otros tipos de velas espaciales [8] [53] [54] [55] [56] [57] .

Hay dos proyectos de veleros espaciales: bajo la presión de la luz solar y de un láser artificial (la idea de Robert Forward ). La desventaja del primer tipo es la débil presión de la luz del Sol, que se debilitará a medida que aumente la distancia. La desventaja del segundo tipo es la dificultad de apuntar el láser a una gran distancia. Una desventaja común de los veleros espaciales de todo tipo es la fragilidad de la estructura de una vela delgada y extensa, que puede destruirse fácilmente en una colisión con materia interestelar [1] .

La ventaja de un velero es la falta de combustible a bordo. Su desventaja es que no se puede usar para frenar o viajar de regreso a la Tierra, por lo que es bueno para lanzar sondas robóticas, estaciones y naves de carga, pero no muy adecuado para vuelos de regreso tripulados (o los astronautas necesitarán llevar un segundo láser con ellos con una reserva de energía para la instalación en destino, lo que en realidad niega todas las ventajas de un velero).

La idea de utilizar la presión de la luz para los viajes interplanetarios se planteó casi inmediatamente después del descubrimiento de esta presión por parte del físico P. N. Lebedev en los trabajos de K. Tsiolkovsky y F. Zander . Sin embargo, la posibilidad real de obtener un haz electromagnético de la potencia requerida apareció solo después de la invención de los láseres .

En 1971, en un informe de G. Marx en un simposio en Byurakan , se propuso utilizar láseres de rayos X para vuelos interestelares . Posteriormente, la NASA investigó la posibilidad de utilizar este tipo de propulsión . Como resultado, se llegó a la siguiente conclusión: “Si se encuentra la posibilidad de crear un láser que opere en el rango de longitud de onda de los rayos X, entonces podemos hablar sobre el desarrollo real de un avión (acelerado por dicho rayo láser) que puede cubrir las distancias a las estrellas más cercanas mucho más rápido que todos los sistemas conocidos actualmente con motores de cohetes. Los cálculos muestran que con la ayuda del sistema espacial considerado en este trabajo, es posible llegar a la estrella Alfa Centauri... en unos 10 años” [58] .

En 1985, R. Forward propuso el diseño de una sonda interestelar acelerada por energía de microondas . El proyecto preveía que la sonda llegaría a las estrellas más cercanas en 21 años.

En el 36º Congreso Astronómico Internacional, se propuso un proyecto para una nave estelar láser, cuyo movimiento es proporcionado por la energía de los láseres ópticos ubicados en órbita alrededor de Mercurio . Según los cálculos, la trayectoria de una nave estelar de este diseño hasta la estrella Epsilon Eridani (10,8 años luz) y de regreso llevaría 51 años.

Una vela propulsada por una fuente de propulsión láser basada en tierra se utiliza en el actual proyecto de sonda interestelar automática pequeña Breakthrough Starshot que ha comenzado . Se necesitan hasta 10 mil millones de dólares y hasta 20 años para implementar el proyecto . La velocidad de las sondas será de hasta el 20% de la velocidad de la luz, el tiempo de vuelo a Proxima o Alpha Centauri a 4 años luz de la Tierra es de unos 20 años.

Motores de aniquilación

La velocidad de movimiento de los cohetes convencionales depende esencialmente de la velocidad de expiración del fluido de trabajo. Ni las reacciones químicas ni las nucleares actualmente conocidas pueden lograr velocidades de escape suficientes para acelerar una nave espacial a la velocidad de la luz. Como una de las soluciones al problema, se propone utilizar partículas elementales que se mueven a la velocidad de la luz o casi a la de la luz como sustancia de trabajo del cohete.

La aniquilación de materia- antimateria se puede utilizar para producir tales partículas . Por ejemplo, la interacción de electrones y positrones genera radiación gamma , que se utiliza para crear chorros de empuje en los diseños de los llamados cohetes fotónicos. También se puede utilizar la reacción de aniquilación de protones y antiprotones , que produce piones .

En el caso de que la velocidad de expiración de la sustancia de trabajo de un motor a reacción sea igual a la velocidad de la luz, el número de Tsiolkovsky está determinado por la fórmula . De ahí se sigue que para lograr la velocidad en , el número de Tsiolkovsky debe ser igual a [59] .

Cálculos teóricos de los físicos estadounidenses Ronan Keane y Wei-ming Zhang muestran que, basándose en tecnologías modernas, es posible crear un motor de aniquilación capaz de acelerar una nave espacial hasta un 70 % de la velocidad de la luz. El motor propuesto por ellos es más rápido que otros desarrollos teóricos debido al dispositivo especial de boquilla de chorro. Sin embargo, los principales problemas en la creación de cohetes de aniquilación con estos motores son la obtención de la cantidad necesaria de antimateria, así como su almacenamiento [60] . En mayo de 2011, el tiempo de almacenamiento récord para los átomos de antihidrógeno fue de 1000 segundos (~16,5 minutos) [61] . La NASA estimó en 2006 que la producción de un miligramo de positrones costaba aproximadamente US $ 25 millones [62] . Según una estimación de 1999, un gramo de antihidrógeno valdría 62,5 billones de dólares [63] .

Motores estatorreactores de hidrógeno interestelar

El componente principal de la masa de los cohetes modernos es la masa de combustible requerida para que el cohete acelere. Si es posible de alguna manera usar el medio ambiente como cuerpo de trabajo y combustible, es posible reducir significativamente la masa del vehículo interestelar y, debido a esto, lograr altas velocidades de movimiento incluso cuando se usa un motor de cohete de combustible. En este sentido, apareció la idea de un motor estatorreactor, que utiliza hidrógeno interestelar como combustible [64] .

El uso de un motor estatorreactor elimina las restricciones de rango de vuelo debido a las reservas finitas de combustible y energía a bordo de la nave, sin embargo, tiene un problema grave en forma de baja densidad de hidrógeno en el espacio interestelar y, como resultado, baja velocidad. [65] .

Las ventajas de este proyecto incluyen la limpieza del espacio delante de la nave de partículas interestelares, que podrían ser peligrosas para la nave estelar a altas velocidades del tráfico que se aproxima. Sin embargo, un motor estatorreactor requeriría un embudo de gran diámetro y una velocidad inicial bastante alta de la nave estelar (según algunas estimaciones, hasta el 20-30% de la velocidad de la luz). Una colisión con hidrógeno interestelar a tales velocidades puede destruir gradualmente el material del embudo, por lo que existen proyectos para recolectar hidrógeno interestelar con un campo electromagnético en lugar de un embudo de materia [1] .

El estatorreactor de hidrógeno propuesto requeriría un embudo de enorme diámetro para recolectar hidrógeno interestelar enrarecido, que tiene una densidad de 1 átomo por centímetro cúbico. Si se usa un campo electromagnético súper poderoso para recolectar hidrógeno interestelar, entonces las cargas de fuerza en la bobina generadora serán tan grandes que es poco probable que se superen incluso para la tecnología del futuro [31] [32] .

En la década de 1960, Robert Bassard propuso el diseño de un motor estatorreactor interestelar . Es similar al diseño de los motores a reacción . El medio interestelar consiste principalmente en hidrógeno . Este hidrógeno se puede capturar y utilizar como fluido de trabajo. Además, se puede utilizar como propulsor para una reacción termonuclear controlada , sirviendo como fuente de energía para crear una corriente en chorro que acelera un cohete.

Dado que el medio interestelar es extremadamente enrarecido (del orden de un átomo de hidrógeno por centímetro cúbico de espacio), se deben utilizar enormes pantallas (miles de kilómetros) para recoger la cantidad de combustible necesaria. La masa de este tipo de pantallas es extremadamente grande incluso si se utilizan los materiales más ligeros, por lo que se propone utilizar campos magnéticos para recoger la sustancia .

Otra desventaja de un estatorreactor termonuclear es la velocidad limitada que puede alcanzar un barco equipado con él (no más de 0,119 s = 35,7 mil km/s). Esto se debe a que al atrapar cada átomo de hidrógeno (que puede considerarse estacionario con respecto a las estrellas en primera aproximación), la nave pierde cierto impulso, que puede ser compensado por el empuje del motor solo si la velocidad no supera cierto límite. Para superar esta limitación, es necesario utilizar la energía cinética de los átomos atrapados de la forma más completa posible, lo que parece ser una tarea bastante difícil.

Conclusión

Digamos que la pantalla capturó 4 átomos de hidrógeno. Durante el funcionamiento de un reactor termonuclear, cuatro protones se convierten en una partícula alfa, dos positrones y dos neutrinos. Para simplificar, despreciaremos los neutrinos (teniendo en cuenta que los neutrinos requerirán un cálculo preciso de todas las etapas de la reacción, y las pérdidas en los neutrinos son de aproximadamente un porcentaje), y aniquilaremos los positrones con 2 electrones restantes de los átomos de hidrógeno después de la eliminación. de protones de ellos. Se utilizarán otros 2 electrones para convertir la partícula alfa en un átomo de helio neutro que, gracias a la energía recibida de la reacción, se acelerará en la tobera del motor.

La ecuación de reacción final sin tener en cuenta los neutrinos:

cuatro1
1H→4
2Él+ (4 m H − m He ) c ² (≈27 MeV)

Deje que el barco vuele con velocidad v . Al atrapar cuatro átomos de hidrógeno en el marco de referencia de la nave, se pierde impulso:

El impulso teóricamente alcanzable con el que un barco puede lanzar un átomo de helio se puede derivar de la conocida relación relativista entre masa, energía y impulso:

La energía de un átomo de helio (incluida la energía del resto) no puede exceder la suma de las masas de cuatro átomos de hidrógeno multiplicada por el cuadrado de la velocidad de la luz:

Por lo tanto, el cuadrado del momento máximo alcanzable de un átomo de helio:

Si la nave no aceleró ni desaceleró como resultado de capturar y utilizar cuatro átomos de hidrógeno, entonces el impulso perdido al capturarlos es igual al impulso ganado como resultado de la expulsión de un átomo de helio de la boquilla.

Motor de fotones en monopolos magnéticos

Según A. Vladimov, autor de la revista Tekhnika-Youth , solo los motores fotónicos son adecuados para viajes espaciales de larga distancia [64] ..

Si algunas variantes de las Grandes Teorías Unificadas son válidas , como el modelo 't Hooft-Polyakov , entonces es posible construir un motor de fotones que no use antimateria, ya que un monopolo magnético hipotéticamente puede catalizar la desintegración de un protón [66 ] [67] en un positrón y un mesón π 0 :

π 0 se descompone rápidamente en 2 fotones, y el positrón se aniquila con un electrón, como resultado, el átomo de hidrógeno se convierte en 4 fotones, y solo queda sin resolver el problema del espejo.

Un motor de fotones basado en monopolos magnéticos también podría funcionar en un esquema de flujo directo.

Al mismo tiempo, los monopolos magnéticos están ausentes en la mayoría de las teorías modernas de la Gran Unificación, lo que arroja dudas sobre esta atractiva idea.

Los motores de fotones de aniquilación de materia tienen los siguientes problemas: almacenamiento de antimateria, protección del espejo que refleja los fotones de la energía liberada, tiempo de aceleración y dimensiones [12] .

Propulsores de iones

En 1946, el físico estadounidense I. Ackeret propuso utilizar propulsores iónicos para el vuelo interestelar, que suministrarían partículas cargadas como resultado de una reacción termonuclear o reacción de aniquilación [1] .

Los propulsores de iones ya se utilizan en algunas naves espaciales (por ejemplo, en la nave espacial Rassvet ). Los propulsores de iones usan energía eléctrica para crear partículas cargadas en el combustible (generalmente xenón ), que luego se aceleran. La velocidad de escape de las partículas es de 15 a 35 kilómetros por segundo [68] .

En 1994, Jeffrey Landis propuso un proyecto para una sonda de iones interestelares que recibiría energía de un rayo láser en la estación [33] [69] . Un motor de este tipo, en comparación con una vela de luz láser, consumiría 19 GW menos y sería una vez y media más potente. Por el momento, este proyecto no es factible: el motor debe tener una velocidad de escape de 0,073 s (impulso específico 2 millones de segundos), mientras que su empuje debe alcanzar los 1570 N (es decir, 350 libras). Por el momento, estos indicadores son inalcanzables [70] .

Sistemas de frenado

No mucho menos que durante la aceleración, el problema es el frenado de las naves interestelares que han ganado velocidades ultra altas. Se han propuesto varios métodos:

• frenado en fuentes internas - cohete;
• desaceleración debido a un rayo láser enviado desde el sistema solar;
• desaceleración por un campo magnético usando la vela magnética de Robert Zubrin en superconductores [46] [71] .

En la fantasía

Muy a menudo, los primeros escritores de ficción describieron el uso de motores a reacción químicos convencionales alimentados con productos químicos. Más tarde, muchos escritores de ciencia ficción, al darse cuenta de la imperfección de este tipo de motores, inventaron tipos más avanzados de combustible para cohetes:

• ultraliddite en "Aelita" de A. Tolstoy o anameson de I. Efremov de "La nebulosa de Andrómeda";
• en la misma "Aelita" hay naves de los magos usando energía nuclear;
• combustible termonuclear;
• antimateria _

Este último aparece no solo como combustible para motores de fotones, sino también como combustible para las principales unidades de potencia de muchas fantásticas naves superlumínicas.

Inicialmente, los barcos para vuelos interestelares en la ciencia ficción parecían un híbrido de un vehículo de lanzamiento y un submarino aerodinámico. Tal, por ejemplo, es el barco "Tantra" de la novela de I. Efremov "La nebulosa de Andrómeda", publicada por primera vez en el año del lanzamiento del primer satélite artificial de la Tierra. Luego vino el entendimiento de que en el espacio no existe la resistencia del entorno y las naves interestelares comenzaron a adquirir formas arquitectónicas complejas. Los motores de cohetes, como no lo suficientemente rápidos, fueron reemplazados por "transportes nulos", "motores warp", "transiciones subespaciales", "mundos adyacentes", "hipermotores", " motores de túnel " [1] .

Véase también

• Nuevos horizontes
• Lista de estrellas cercanas
• nave estelar
• motor warp

Notas

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Colonización del espacio
Colonización del sistema solar	Mercurio Venus Luna puntos de Lagrange Marte asteroides Ceres gigantes gaseosos Lunas de Júpiter Europa Ganímedes Calisto Satélites de Saturno Titanio Encelado lunas de neptuno Tritón lunas de urano Objetos del Sistema Solar Exterior Plutón y objetos transneptunianos nube de Oort
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